一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件及其制备方法，包括以下步骤：选取Si衬底；在Si衬底上表面生长Y2O3材料形成栅介质层；在栅介质层上表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；在光吸收层上表面溅射Au材料形成第一电极；在Si衬底下表面溅射Al材料形成第二电极，从而形成基于CH3NH3PbI3材料和Y2O3材料的MOS电容光敏器件。利用CH3NH3PbI3材料作为光吸收层和Y2O3材料作为栅介质层来制备光敏器件，对改善现有光敏器件的性能具有很大的作用，本发明的光敏器件具有低功耗、高灵敏度的特点。

权利要求

1.一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、选取Si衬底；

S2、在所述Si衬底上表面生长Y2O3材料形成栅介质层；

所述S2包括：

S21、利用磁控溅射的方法在所述Si衬底上表面生长厚度为200～250nm的Y2O3材料形成所述栅介质层，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的陶瓷靶材Y2O3；

S22、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

S23、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为8cm和射频功率为

60W的条件下，制备形成栅介质层；

S3、在所述栅介质层上表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；

所述S3包括：

S31、将CH3NH3I和PbI2依次加入DMSO:GBL，震荡搅拌并静置后形成CH3NH3PbI3溶液；

S32、利用单一旋涂工艺在所述栅介质层上表面旋涂所述CH3NH3PbI3溶液，通过90℃温度热退火处理后形成光吸收层；

所述S31包括：

S311、将摩尔质量比为1:1的PbI2和CH3NH3I先后加入DMSO:GBL，得到混合溶液；

S312、将所述混合溶液在80℃温度下搅拌100～120分钟，得到搅拌后的溶液；

S313、将所述搅拌后的溶液在80℃温度下静置60～70分钟，得到所述CH3NH3PbI3溶液；

所述S32包括：

S321、利用单一旋涂工艺，在所述栅介质层上表面将所述CH3NH3PbI3溶液以2000rmp的速率旋转涂抹30～40秒；

S322、在90℃温度下热退火60～70分钟形成所述光吸收层；

S4、在所述光吸收层上表面溅射Au材料形成第一电极；

所述S4包括：

S41、采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述光吸收层表面磁控溅射Au材料，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.995％的Au；

S42、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度大于99.999％；

S43、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为8cm和工作电流为

2A的条件下，沉积形成第一电极；

S5、在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成第二电极，从而形成所述基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件；

所述S5包括：

S51、采用磁控溅射技术，在所述Si衬底下表面溅射Al材料，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Al；

S52、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为99.999％；

-4 3

S53、在真空度为4.5×10 Pa、氩气流量为25cm/秒、溅射靶材基距为8cm和工作电流为

2A的条件下，制备形成第二电极。

2.根据权利要求1所述的基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件的制备方法，其特征在于，所述Si衬底的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3、厚度为400～500μm。

3.一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件，其特征在于，包括由权利要求1～2任一项所述的方法制备形成。

说明书

一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件及其制备

方法

技术领域

[0001] 本发明涉及集成电路技术领域，具体涉及一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件及其制备方法。

背景技术

[0002] 随着电子信息技术的急速发展，以半导体材料为核心的集成电路对国民经济的发展提供了巨大的驱动力。尤其是微电子工艺技术的不断提升、大数据、云计算等新概念的提出，各种新型器件在社会中的角色也越来越重要，特别是人们对光敏器件的需求不断地在提升。然而，传统的光敏器件不仅具有较差的光敏感性而且还伴随着较高的功耗，并不能满足MOS器件不断缩小的发展趋势。

[0003] 因此，如何改善现有光敏器件的性能就变得很有必要。

发明内容

[0004] 为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于 CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件及其制备方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

[0005] 本发明实施例提供了一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件的制备方法，包括以下步骤：

[0006] S1、选取Si衬底；

[0007] S2、在所述Si衬底上表面生长Y2O3材料形成栅介质层；

[0008] S3、在所述栅介质层上表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；

[0009] S4、在所述光吸收层上表面溅射Au材料形成第一电极；

[0010] S5、在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成第二电极，从而形成所述基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件。

[0011] 在本发明的一个实施例中，所述Si衬底的掺杂浓度为 1×1019cm-3～1×1021cm-3、厚度为400～500μm。

[0012] 在本发明的一个实施例中，所述S2包括：

[0013] S21、利用磁控溅射的方法在所述Si衬底上表面生长厚度为200～250nm 的Y2O3材料形成所述栅介质层，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的陶瓷靶材Y2O3；

[0014] S22、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为 99.999％；

[0015] S23、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为 8cm和射频功率为60W的条件下，制备形成栅介质层。

[0016] 在本发明的一个实施例中，所述S3包括：

[0017] S31、将CH3NH3I和PbI2依次加入二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内酯的混合溶液，其中，二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内酯的体积配比为3:7，震荡搅拌并静置后形成CH3NH3PbI3溶液；

[0018] S32、利用单一旋涂工艺在所述栅介质层上表面旋涂所述CH3NH3PbI3溶液，通过90℃温度热退火处理后形成光吸收层。

[0019] 在本发明的一个实施例中，所述S31包括：

[0020] S311、将摩尔质量比为1:1的PbI2和CH3NH3I先后加入二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内酯的混合溶液，得到混合溶液；

[0021] S312、将所述混合溶液在80℃温度下搅拌100～120分钟，得到搅拌后的溶液；

[0022] S313、将所述搅拌后的溶液在80℃温度下静置60～70分钟，得到所述 CH3NH3PbI3溶液。

[0023] 在本发明的一个实施例中，所述S32包括：

[0024] S321、利用单一旋涂工艺，在所述栅介质层上表面将所述CH3NH3PbI3溶液以2000rmp的速率旋转涂抹30～40秒；

[0025] S322、在90℃温度下热退火60～70分钟形成所述光吸收层。

[0026] 在本发明的一个实施例中，所述S4包括：

[0027] S41、采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述光吸收层表面磁控溅射 Au材料，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.995％的Au；

[0028] S42、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度大于 99.999％；

[0029] S43、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为 8cm和工作电流为2A的条件下，沉积形成第一电极。

[0030] 在本发明的一个实施例中，所述S5包括：

[0031] S51、采用磁控溅射技术，在所述Si衬底下表面溅射Al材料，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Al；

[0032] S52、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为 99.999％；

[0033] S53、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为 8cm和工作电流为2A的条件下，制备形成第二电极。

[0034] 在本发明的一个实施例中，一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS 电容光敏器件，其特征在于，包括：Si衬底、栅介质层、光吸收层、第一电极、第二电极；其中，所述基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件由上述实施例所述的方法制备完成。

[0035] 与现有技术相比，本发明的有益效果：

[0036] 1、由于本发明MOS电容光敏器件在栅介质层表面具有CH3NH3PbI3材料形成的光吸收层，CH3NH3PbI3材料具有优异的电学特性以及很高的光吸收系数，光照时的电流较暗态时的电流增长三个数量级，因此具有低功耗、高灵敏度特点。

[0037] 2、由于本发明MOS电容光敏器件具有Y2O3材料形成的栅介质层，应用高K栅介质层材料，使其在暗态条件下几乎不导通，因此在暗态时第一电极与第二电极之间电流极小，在很大程度上减少了栅极漏电电流，具有极低的功耗，从而提高了MOS器件的光敏特性。

附图说明

[0038] 图1为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS 电容光敏器件的制备方法流程示意图；

[0039] 图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS 电容光敏器件的俯视图；

[0040] 图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS 电容光敏器件的截面结构示意图；

[0041] 图4为本发明实施例提供的一种掩膜版的结构示意图；

[0042] 图5为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS 电容光敏器件在暗态和光照下的电流测试对比曲线图。

具体实施方式

[0043] 下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

[0044] 实施例一

[0045] 请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件的制备方法流程示意图。该制备方法具体包括以下步骤：

[0046] S1、选取Si衬底；

[0047] S2、在所述Si衬底上表面生长Y2O3材料形成栅介质层；

[0048] S3、在所述栅介质层上表面生长CH3NH3PbI3材料形成光吸收层；

[0049] S4、在所述光吸收层上表面溅射Au材料形成第一电极；

[0050] S5、在所述Si衬底下表面溅射Al材料形成第二电极，从而形成所述基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件。

[0051] 其中，S2可以包括：

[0052] S21、利用磁控溅射的方法在所述Si衬底上表面生长厚度为200～250nm 的Y2O3材料形成所述栅介质层，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的陶瓷靶材Y2O3；

[0053] S22、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为 99.999％；

[0054] S23、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为 8cm和射频功率为60W的条件下，制备形成栅介质层。

[0055] 其中，S3可以包括：

[0056] S31、将CH3NH3I和PbI2依次加入二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内酯的混合溶液，震荡搅拌并静置后形成CH3NH3PbI3溶液；

[0057] S32、利用单一旋涂工艺在所述栅介质层上表面旋涂所述CH3NH3PbI3溶液，通过90℃温度热退火处理后形成光吸收层。

[0058] 进一步，S31可以包括：

[0059] S311、将摩尔质量比为1:1的PbI2和CH3NH3I先后加入二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内酯的混合溶液，得到混合溶液；

[0060] S312、将所述混合溶液在80℃温度下搅拌100～120分钟，得到搅拌后的溶液；

[0061] S313、将所述搅拌后的溶液在80℃温度下静置60～70分钟，得到所述 CH3NH3PbI3溶液。

[0062] 进一步，S32可以包括：

[0063] S321、利用单一旋涂工艺，在所述栅介质层上表面将所述CH3NH3PbI3溶液以2000rmp的速率旋转涂抹30～40秒；

[0064] S322、在90℃温度下热退火60～70分钟形成所述光吸收层。

[0065] 另外，S4可以包括：

[0066] S41、采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在所述光吸收层表面磁控溅射 Au材料，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.995％的Au；

[0067] S42、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度大于 99.999％；

[0068] S43、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为 8cm和工作电流为2A的条件下，沉积形成第一电极。

[0069] 另外，S5可以包括：

[0070] S51、采用磁控溅射技术，在所述Si衬底下表面溅射Al材料，其中，溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的Al；

[0071] S52、以氩气作为溅射气体通入溅射腔，所述氩气质量百分比纯度为 99.999％；

[0072] S53、在真空度为4.5×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、溅射靶材基距为 8cm和工作电流为2A的条件下，制备形成第二电极。

[0073] 需要说明的是，本实施例中的S4和S5可以根据实际工艺流程进行互换，此处不做任何限制。

[0074] 在本实施例中，通过在栅介质层上表面沉积CH3NH3PbI3材料，将其作为光吸收层，并制备金属电极后形成MOS电容光敏器件，该光敏器件在光照下具有较高的灵敏度。

[0075] 依照本实施例的方法制备的器件请一并参见图2和图3，图2为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件的俯视图，图3为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS 电容光敏器件的截面结构示意图，所述光敏器件包括：第二电极1、Si衬底 2、栅介质层3、光吸收层4、第一电极5，第二电极1、Si衬底2、栅介质层3、光吸收层4、第一电极5按顺序由下至上竖直分布形成多层结构；其中，所述Si衬底的掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3、厚度为400～500μm，栅介质层为Y2O3材料，第二电极为Al材料，第一电极为Au材料。

[0076] 实施例二

[0077] 本实施例在上述实施例的基础上，对本发明的基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件的制备方法进行详细描述。具体地，该方法可以包括：

[0078] 步骤a：准备衬底材料Si。

[0079] 准备块体硅材料；所述块体硅材料包括衬底层，其中衬底为重掺杂硅层，掺杂浓度为1×1019cm-3～1×1021cm-3，厚度为400～500μm。

[0080] 步骤b：形成Y2O3氧化层。

[0081] 采用磁控溅射技术在本实施例步骤a所准备的块体硅材料上表面生长厚度为200～250nm的Y2O3氧化层为栅介质层。溅射靶材选用质量比纯度>99.99％的陶瓷靶材Y2O3，以-4质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入腔室内，在真空度为4.5×10 Pa、氩气流量为25cm3/秒、靶材基距为8cm和射频功率为60W的条件下制备形成。

[0082] 步骤c：旋涂CH3NH3PbI3。

[0083] 采用单一旋涂法在本实施例步骤b所得Y2O3氧化层上旋涂CH3NH3PbI3材料形成光吸收层，具体如下：

[0084] 将摩尔质量比1:1的PbI2和CH3NH3I先后加入二甲基亚砜与γ-羟基丁酸内酯的混合溶液中，得到PbI2和CH3NH3I的混合溶液；将PbI2和CH3NH3I 的混合溶液在80℃温度下震荡搅拌100～120分钟，得到搅拌后的溶液；将搅拌后的PbI2和CH3NH3I混合溶液在80℃温度静置60～70分钟，得到 CH3NH3PbI3溶液；在步骤a所得的Y2O3氧化层上将CH3NH3PbI3以2000rmp 的速率旋转涂抹30～40秒，最后在90℃温度下对其进行热退火60～70分钟处理，形成CH3NH3PbI3光吸收层。

[0085] 步骤d：溅射第二电极。

[0086] 采用磁控溅射工艺在步骤a所准备的块体硅衬底材料下表面溅射电极Al，溅射靶材Al的质量比纯度>99.99％，以质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入腔室-4 3内，在真空度为4.5×10 Pa、氩气流量为25cm/ 秒、靶基距为8cm和工作电流为2A的条件下制备形成第二电极。

[0087] 步骤e：溅射第一电极。

[0088] 采用掩膜版，利用磁控溅射工艺在本实施例步骤c所得的CH3NH3PbI3光吸收层上磁控溅射电极Au，溅射靶材Au的质量比纯度>99.99％，以质量百分比纯度为99.999％的氩气作为溅射气体通入腔室内，在真空度为 3.0×10-4Pa、氩气流量为25cm3/秒、靶基距为8cm和工作电流为2A的条件下制备形成第一电极。具体请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种掩膜版的结构示意图。

[0089] 本实施例，通过在体硅材料上表面生成Y2O3氧化层，使得制成的MOS 电容光敏器件在暗态时具有较小的电流功耗。在本实施例中，相比于PbI2和CH3NH3I的其他配比方式，选用摩尔质量比1:1的PbI2和CH3NH3I混合得到CH3NH3PbI3吸收层具有良好的光吸收度。选用100℃的温度进行热退火处理，可以最大程度的减小所生成CH3NH3PbI3光吸收层的内部缺陷。

[0090] 实施例四

[0091] 请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种基于CH3NH3PbI3和Y2O3材料的MOS电容光敏器件在暗态和光照下的电流测试对比曲线图，其中，在光照条件下的光照强度为2mW/cm2。

[0092] 电流测试的具体方法为：第一电极接地，第二电极加扫描测试电压，扫描范围为0V→1V，扫描速率为20mv/s。对比图5可以看出，本发明实施例的基于CH3NH3PbI3材料的MOS电容光敏器件在暗态条件下电流强度非常低，在光照条件下时，电流强度显著增大，增大了将近三个数量级。

[0093] 综上所述，以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。